Изследване на терморезисторен преобразувател и приложението му за измерване на температура целта на упражнението
Изтегляне 477 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- 2. Теоретични постановки и методически указания 2.1. Теоретични постановки
- 2.1.1. Терморезисторен преобразувател – терморезистор
- 2.1.2. Измервателни схеми
- 2.2. Методически указания за изпълнение на задачите
| ИЗСЛЕДВАНЕ НА ТЕРМОРЕЗИСТОРЕН ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ И ПРИЛОЖЕНИЕТО МУ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА
Целта на упражнението е да се запознаят студентите с принципа на действие на терморезисторните преобразуватели за измерване на температура и да придобият практически знания за изграждане, настройка и калибриране на електрически схеми на терморезисторен термометър. 1. Задачи за изпълнение 1. Да се разучат постановката на упражнението и принципа на действие на лабораторния макет 2. Да се извърши предварително загряване на гредата до установяване на термодинамично равновесие 3. Да се снеме функцията на преобразуване на меден терморезистор 4. Да се определят съпротивлението при начална температура, температурния коефициент и чувствителността на терморезистора 5. Да се реализира терморезисторен термометър с мостова схема, на базата на изследвания меден терморезистор и се извърши калибриране 6. Да се определи времеконстантата на терморезистора 7. Да се построят графичните зависимости получени от задачи 2 и 3. 2. Теоретични постановки и методически указания 2.1. Теоретични постановки Температурата е един от основните и най-често измервани термодинамични параметри на всяка система (тяло, обект и т.н.). Тя е физична величина пропорционална на средната кинетична енергия на съставящите системата частици (молекули, атоми, йони, електрони), когато съществува термодинамично равновесие. От дефиницията се вижда, че непосредственото измерване на температурата е невъзможно. Връзката на вътрешната енергия с редица други величини и явления, обаче позволява температурата да се определи количествено. Поради това всички методи за измерване на температура са косвени. Единицата за температура в международната система за измервателни единици SI е Келвин /K/. Скалата по Келвин се нарича абсолютна и се използва при измерване на много високи или много ниски температури. В практиката освен абсолютната широко се използват още два вида температурни скали: по Целзий /°C/ и по Фаренхайт /°F/. При целзиевата скала са фиксирани две характерни точки. Едната е 0°C, соътветстваща на температурата на топене на леда при налягане 0,101325 MPa (1 atm), а втората е 100°C съответстваща на температурата на кипене на водата при същото налягане. По скалата на Фаренхайд 0°F се приема температурата на замръзване на определена алкохолна смес. Уравненията, които се използват за привеждане на температурите между различните скали са:
В таблица 2.1 са дадени някои характерни температурни точки за различните скали. Таблица 2.1
Техническите средства предназначени за измерване на температура се наричат термометри. В тях като първични преобразуватели се използват термопреобразуватели, изградени на базата на различни сензорни технологии. Най-голямо разпространение в практиката са получили преобразувателите за измерване на температура с електрически изход. Използват се различни видове терморезистори, термодвойки или полупроводникови монолитни сензори с токов или напрежителен изход. Тези преобразуватели работят на контактен принцип, като се разполагат в изследваната среда. 2.1.1. Терморезисторен преобразувател – терморезистор Терморезисторите са първични измервателни преобразуватели, основаващи се на свойството на електропроводимите материали да променят електрическото си съпротивление под въздействие на температурата. Те са сред най-точните и стабилни температурни сензори, като обхвата на измерване в зависимост от различните видове може да бъде от -200°C до 800°C. Терморезисторите се разделят на метални и полупроводникови. 2.1.1.1 Метални терморезистори Металните терморезистори са с най-широко разпространение и се предпочитат при измерване на температура до 180°C. Главно се използват чисти метали, като платина, мед, никел, желязо и др. В общия случай зависимостта на електрическото съпротивление от температурата е нелинейна и се нарича функция на преобразуване:
За платиновите терморезистори функцията може да се изрази с достатъчна точност с формулата на Календер:  , (1.2)
като R0 е съпротивлението при 0°C, а Rθ е съпротивлението при θ°C. Двете константи A и B се определят в три фиксирани точки. Това са тройната точка на водата (θтр=0,01°C), точката на кипене на водата (θк=100°C) и точката на втвърдяване на цинка (θZn=419,58°C). Стойностите им се дават в градуировъчни таблици. Конструкцията на платиновите терморезистори се изпълнява в два варианта. При първият платинова жица са навива върху керамично изолационно тяло, което се поставя в метален или стъклен корпус. Вторият вид се изпълнява, чрез нанасяне на чувствителния елемент върху печатна платка, която също се поставя в корпус, като целта е осигуряване на добра топлопроводимост и херметичност . Теоретичната функция на преобразуване за медните терморезистори има линеен вид:
Никеловите терморезистори се използват за измерване на температури в диапазона от 0°C до 200°C. Характеризират се с високо специфично съпротивление и висок температурен коефициент на съпротивление, но при тях се наблюдава наличие на определена нелинейност от характеристиката (1.2) поради което имат ограничено приложение. 2.1.1.2. Полупроводникови терморезистори Полупроводниковите терморезистори използват свойствата на полупроводниковите материали да изменят силно електропроводимостта си под влияние на температурата. В зависимост от температурния си коефициент на съпротивление те се разделят на термистори с отрицателен ТКС и позистори с положителен ТКС. И двата варианта се характеризират с много висока чувствителност, достигаща до над един порядък по-висока от тази на металните терморезистори. Функцията на преобразуване на термисторите е нелинейна и има следния вид:  , (1.4)
където A и B са приблизително постоянни коефициенти. Полупроводниковите терморезистори имат голямо бързодействие, миниатюрни размери и работят в относително тесни температурни диапазони. 2.1.2. Термодвойка Термодвойката е преобразувател, базиран на връзката между топлинните и електрическите процеси във веществата. Принципът и на действие се основава на ефекта на Зеебек за контактната потенциална разлика. Термодвойката се състои от два проводника, изработени от различни метали, запоени в единия им край. Другите два края се свързват към измервателен уред. Вследствие на различните температури в мястото на спойката възниква контактна потенциална разлика, която зависи от физикохимичната същност на веществата и температурата. Измерваната температура θ се преобразува в електродвижещо напрежение (термо е.д.н.). Зависимостта, открита за първи път от Зеебек, има следния вид:  , (1.5)
където E е термоелектродвижещото напрежение, θ1 и θ2 са температурите в двата края на проводника, при който се наблюдава ефекта, α(θ) е коефициент на термо-е.д.н. 2.1.2. Измервателни схеми Терморезисторите се характеризират с не достатъчно висока чувствителност, поради което те се включват към допълнителни електрически схеми, формирайки т.н. терморезисторни термометри. В тези устройства се реализират почти всички методи за измерване на съпротивления. Най-често се използват високочувствителни мостови схеми, изходния сигнал от които се усилва до необходимото ниво. Мостовете работят в неуравновесен и уравновесен режим, с ръчно или автоматично уравновесяване. За калибриране и проверка на терморезисторните термометри се използват прецизни резисторни декади, включени на мястото на терморезисторите в измервателните схеми. С тях се задават различни съпротивления за различни температури, които се изчисляват от функцията на преобразуване на терморезистора. В схемните решения на терморезисторните термометри особено силно влияние върху точността на измерването оказват съпротивленията на свързващите проводници. За намаляване на това влияние се използват различни схеми с дву- три- или четирипроводно свързване към единичен мост на Уитстон или конфигурации, при които се измерва директно напрежение или съпротивление. В зависимост от стойностите на съпротивленията в рамената на моста в измервателния диагонал могат да се използват милиамперметри или миливолтметри. Ако съпротивленията в четирите рамена са приблизително еднакви, моста е със силно изразена нелинейна характеристика, поради което в диагонала за индикатор могат да се използват и двата измервателни уреда. Когато две от съпротивленията са значително по-големи от останалите, моста притежава почти линейна характеристика, което определя използването на миливолтметър в измервателния диагонал. На фигура 1 е показано трипроводно свързване на терморезистор към единичен мост на Уитстон. Съпротивлението на терморезистора се определя от следния израз:  , (1.6)
където U е захранващото напрежение, а UV е напрежението в диагонала на моста. За токът през терморезистора е в сила израза:  (1.7)
Фиг.1 Трипроводно свързване на терморезистор към неуравновесен мост Четирипроводно свързване на терморезистор е показано на фигура 2. Токът към терморезистора се подава от едната двойка свързващи проводници, докато напрежението върху него се измерва, чрез другата двойка проводници. При тази схема на свързване съпротивлението на свързващите проводници не оказва влияние върху тока през терморезистора. Съпротивлението на преобразувателя се определя от израза:  , (1.8)
където URθ и IRθ са напрежението и токът върху терморезистора. 
Фиг.2 Четирипроводно свързване на терморезистор 2.2. Методически указания за изпълнение на задачите Лабораторната постановка се състои от термогреда, макет ТК 2941 на фирмата Feedback - Англия, меден терморезистор Cu100, образцов термометър с платинов терморезистор Pt100 и калибрационен съд. Термогредата представлява лабораторен уред, предназначен за температурни изследвания. Конструкцията, включваща контролен блок, нагревател и топлоотвеждащ радиатор е показана на фигура 3.
Фиг. 3 Конструкция на термогредата Разпространението на топлина от горещия край на термогредата, контактуващ с нагревателя, към топлоотвеждащия радиатор се осъществява чрез топлопроводност. Върху гредата са нанесени прорези (позиции) през равни интервали от 1 см предназначени за позициониране на различни температурни преобразуватели върху нея. За обхождане на отделните температурни точки се използва калибрационен съд, в който се поставят преобразувателите. Освен чрез топлопроводност, топлина по термогредата се пренася и чрез конвекция от заобикалящия въздух. Поради това студения и край е с температура близка до тази на околната среда. При изпълнение на задача 1 да се разгледа лабораторния макет, терморезистора, принципа на действие и начина за обхождане на различните температурни точки върху термогредата. При изпълнение на задача 2 термогредата се загрява до достигане на термодинамично равновесие. В калибрационният съд се налива приблизително 20 мл вода, така че нивото и да бъде на около 1 см от дъното. За затваряне на калибрационния съд се използва пластмасова капачка, която има два отвора. В този с по-широкия диаметър се поставя изследвания меден терморезистор, а в другия платиновия терморезистор на образцовия термометър. За реализиране на точни измервания след затваряне на съда е необходимо дълбочината на която са потопени двата терморезистора да бъде около 1 см. Калибрационният съд се поставя върху позиция N14 от термогредата. Изчаква се няколко минути, докато се установи температурата, записва се нейната стойност от образцовия термометър и се включва захранване към термогредата. Започва процес на предварително загряване с продължителност около 30 ÷ 35 минути. За изследване на времето за достигане до термодинамично равновесие се отчитат показанията на температурата на всеки 2 минути. След 20-та минута отчитането се извършва през 5 минути, докато настъпи установяване на процеса, т.е. по-нататъшно покачване на температурата не се наблюдава. Резултатите се нанасят в таблица 2.2. Внимание: Когато гредата се загрее е опасно да се докосва горещия и край! Таблица 2.2
При изпълнение на задача 3 изходните клеми на медния терморезистор, поставен в по-големия отвор на калибрационния съд. се свързват се към цифров омметър. Функцията на преобразуване на ТР се снема като се обхождат различни температурни точки от термогредата. Измерването започва от студения и край (позиция N18). Поради топлинната инертност на водата и алуминия, от който е изработен калибрационния съд, е необходимо определено време за установяване на температурата. След достигане до установено показание се отчитат съпротивлението на терморезистора R от цифровия омметър и приблизителното време t за установяване на процеса. Процедурата се повтаря за позиции 14, 10, 6 и 2 от термогредата. Резултатите от измерванията се нанасят в таблица 2.3. Таблица 2.3
При изпълнение на задача 4 се използва компютърна програма за изчисление на началното съпротивление R0, съпротивлението при 100°C, температурния коефициент на съпротивление A0 и чувствителността на терморезистора SТР. В диалогов режим се задава начална температура θ=0°C, крайна θ=100°C и се въвеждат измерените стойности на съпротивленията Rθi за съответната температура θi. В програмата е реализиран алгоритъм за изчисляване на R0 и A0 по метода на най-малките квадрати. Апроксимацията на функцията на преобразуване зададена с уравнение (1.3) се извършва съгласно следната система уравнения:  (1.9)
 , (1.10)
където n е броя на измерванията. След кратки преобразувания изразите за A0 и R0 придобиват следния вид:  (1.11)
 (1.12)
От уравненията (1.11) и (1.12) се получават стойностите на Rθi и A0. Записва се и чувствителността на терморезистора изчислена от компютъра. Получените резултати се нанасят в таблица 2.4. Таблица 2.4
При изпълнение на задача 5 се реализира терморезисторен термометър с помощта на макет Feedback TK2941. Използва се схема на единичен мост на Уитстон в неравновесен режим, показана на фигура 4. ТР термометър се калибрира за обхват 0°÷100°C. На мястото на терморезистора се включва образцова резисторна декада. Чрез потенциометъра R49 се подава минимално захранващо напрежение към мостовата схема. Върху декадата се задава съпротивление Rθ, съответстващо на 0°C. С помощта на потенциометъра R47 моста се уравновесява, т.е. настройва се нулата на терморезисторния термометър. След това от образцовата декада се задава нова стойност на съпротивлението Rθ, съответстваща на номиналната температура 100°C. Чрез потенциометъра R49 се нагласява показанието на цифровия миливолтметър на 100, с което се калибрира и втората точка от скалата на термометъра. 
Фигура 4. Мостова схема на терморезисторен термометър В калибрационният съд се налива същото количество нова вода. Медния терморезистор се поставя в съда, свързва се към моста и се прави проверка в три температурни точки от термогредата 10, 6 и 2. В тези точки се изчисляват абсолютната, относителната и приведената грешка от измерването:    , (1.13)
където θk е температурата отчетена от индикатора, θt е стойността на температурата от образцовия термометър, а θm=100°C е температурния обхват. Резултатите се нанасят в таблица 2.5. Таблица 2.5
При изпълнение на задача 6 експериментално се определя времеконстантата на изследвания меден терморезистор. След като е загрят до определена температура θр във водата, той се изважда и се поставя в друга среда с различна температура θср. Най-често това е околната въздушна среда в която той се охлажда. Температурата на преобразувателя се изменя по закона:  , (1.14)
където θ1 и t1 са съответно текущата температура и времето за което температурата достига от θр до θср. Времеконстантата τ на терморезистора се определя в режим на охлаждане. Записва се началната температура θр от терморезисторния термометър, след което ТР се изважда от водата и се оставя да се охлажда във въздуха при стайна температура. Показанието на температурата се следи от ТРТ, а от образцовия термометър се следи стайната температура (платиновия терморезистор също се поставя във въздушна среда). Измерва се времето за което терморезистора се охлажда от началната температура около 90-95°C до достигане на новата температура, например 40-45°C. За времеконстантата съгласно формула (1.14) се получава следния израз:  (1.15)
При изпълнение на задача 7 се построяват графично зависимостите от предварителното загряване на термогредата θ=f(t) (таблица 2.2), разпределението на температурата върху термогредата θ=f(N) (таблица 2.3), както и функцията на преобразуване на медния терморезистор R=f(θ) (таблица 2.3). 3. Контролни въпроси 1. Какви видове скали се използват в практиката за измерване на температура? 2. Какъв е принципа на действие на терморезисторните преобразуватели? 3. Какви видове терморезистори се използват и каква е тяхната функция на преобразуване? 4. Защо се използва дву-, три или четирипроводно свързване на терморезисторите в схемите на термометрите? 5. Как се калибрира терморезисторния термометър? 6. Какво представлява времеконстантата на терморезисторите и как се определя? Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%203 -> електрически%20измервания -> лабораторни лабораторни -> Измерване на електрически величини с виртуални инструменти I цел на упражнението и задачи за изпълнение целта на упражнението СЕМЕСТЪР%203 -> Васил Левски " Факултет " СЕМЕСТЪР%203 -> Същност и разпределение на металите в периодичната система на елементите СЕМЕСТЪР%203 -> Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали електрически%20измервания -> Пета електронни измервателни уреди Електронни аналогови измервателни уреди електрически%20измервания -> Четвърта Сравнителни методи за измерване 1 Компенсатори Изтегляне 477 Kb. Сподели с приятели:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
; 
; 
; 
(1.1)
, (1.3)
